▲ 전기적으로 제어 가능한 Tamm 플라즈몬 공진기 모식도 및 전도성 고분자 구조 / 전도성 고분자와 분산 브래그 반사경 구조를 적층하여 전기적으로 제어 가능한 Tamm 플라스몬 공진기(ECTP)를 설계함 (좌). PEDOT:PSS는 낮은 전압 하에서도 금속-절연성 전이가 가능한 물질로 최근 각광을 받고 있음 (우). 본 연구는 빛-물질 상호작용을 극대화함과 동시에 전기적으로 광학(공진) 현상을 제어함으로써 효율적인 광변조기로 동작할 수 있음을 보임.(그림 및 설명=광주과학기술원 송영민 교수)   © 특허뉴스

매우 낮은 전압으로 빛 신호를 효과적으로 변화시킬 수 있는 새로운 소자가 개발됐다.

한국연구재단은 송영민 교수(광주과학기술원)와 김세정 교수(멜버른대학교) 공동연구팀이 능동물질(외부에서 전압을 가했을 때 광학 특성이 변화하는 물질)을 활용해 1V 이하의 전압만으로 빛을 조절하는 새로운 구조의 광 변조 소자(전기적 신호를 사용해 빛 신호를 제어하는 소자)를 개발했다고 밝혔다. 

최근 빛과 능동물질의 융합을 기반으로 한 광 변조 소자의 발전이 가속화되고 있다. 그러나 능동물질을 이용한 광변조(optical modulation) 기술은 제한된 재료의 특성으로 높은 동작 전압이 필요하고, 정해진 공간 안에서 빛을 효과적으로 제어하기 위한 마이크로 및 나노미터 규모의 구조체가 필요하다는 한계가 있었다.

이러한 복잡한 구조와 높은 동작 전압은 반도체 회로와의 통합을 어렵게 하고, 제작 및 구동의 효율성을 저해한다. 

이에 공동연구팀은 광 변조 소자의 효율을 높이기 위해서는 저전압 동작에서 광변조를 가능하게 하는 새로운 구조와 재료가 필요하다는 데 착안, 단순한 구조 설계로 능동물질과 빛 간 강한 상호작용을 유도하는 스위치 소자 개발에 성공했다. 

먼저 연구진은 능동물질의 광 특성 변화를 극대화하기 위해 박막을 겹겹이 쌓은 후 빛을 한곳에 모아 강한 흡수 현상이 나타날 수 있게 하는 탐(Tamm) 플라즈몬(반복적으로 코팅된 유전체층과 흡수층이 결합된 형태의 강한 흡수를 발생시키는 현상) 구조를 소자에 적용했고, 그 결과 99% 이상의 반사율 변조를 나타냄을 입증했다.

능동물질로 쓰인 전도성 고분자는 탐 플라즈몬 구조 안에서 +1V 전압을 가하면 빛을 100% 흡수하는 금속성을, -1V 전압을 가하면 빛을 100% 반사하는 절연성을 띠는 명확한 변조 특성을 보였다.

저전압으로 빛을 제어할 수 있게 되면서 향후 광학메모리(빛을 이용해 정보의 저장 및 판독이 가능한 소자)와 광학적 뉴로모픽 소자(기존의 디지털 트랜지스터와 달리 뉴런-시냅스의 신경생물학적인 작동방식을 모사한 소자) 활용도 가능할 것으로 예상되고 있다. 

송영민 교수는 “기존 광 변조 소자의 낮은 변조율 문제와 공정 효율성을 동시에 해결하는 새로운 구조의 능동 광소자를 개발한 것”이라며, “향후 다중단계 변조 및 뉴로모픽 특성을 극대화하여 인-포토닉(in-photonics) 컴퓨팅 분야로 확장할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 4일(목) 온라인 게재되었다. 

논문명은 Sub-1-Volt Electrically Programmable Optical Modulator Based on Active Tamm Plasmon 이다.